(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物半導体層のエピタキシャル成長に用いるサファイア基板において、効率良く基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御することができ、且つ、成膜中に生じる基板の反りを抑制、それを用いて作製される窒化物半導体層成膜体、窒化物半導体デバイス、窒化物半導体バルク基板及びそれらの製造方法を提供する。【解決手段】サファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成し、サファイア基板の反り形状及び／又は反り量を制御する。本発明により得られたサファイア基板を用いて窒化物半導体層を形成すると、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるため、膜の品質及び均一性が向上し、窒化物半導体デバイスの品質及び歩留まりを向上させることができる。【選択図】図２
2010165817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長により形成される結晶性膜の成膜に用いられる単結晶基板において、前記単結晶基板内部にパルスレーザによる多光子吸収を利用した改質領域パターンが形成されていることを特徴とするエピタキシャル成長用内部改質基板。
【請求項２】
エピタキシャル成長により形成される結晶性膜の成膜に用いられる単結晶基板において、前記単結晶基板の内部に、前記単結晶基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成して作製することを特徴とするエピタキシャル成長用内部改質基板。
【請求項３】
前記単結晶基板の材質が、サファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエピタキシャル成長用内部改質基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャル成長用内部改質基板の成膜面上に、少なくとも一層の結晶性膜を成膜したことを特徴とする結晶成膜体。
【請求項５】
請求項４に記載の結晶成膜体を備えることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項４に記載の結晶性膜の厚膜からなることを特徴とするバルク基板。
【請求項７】
エピタキシャル成長により形成される半導体層の成膜に用いられるサファイア基板において、前記サファイア基板内部にパルスレーザによる多光子吸収を利用した改質領域パターンが形成されていることを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項８】
エピタキシャル成長により形成される半導体層の成膜に用いられるサファイア基板において、前記サファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成して作製することを特徴とするエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の半導体層を成膜したことを特徴とする半導体層成膜体。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体層成膜体を備えることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体層の厚膜からなることを特徴とする半導体バルク基板。
【請求項１２】
エピタキシャル成長により形成される窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板において、前記サファイア基板内部にパルスレーザによる多光子吸収を利用した改質領域パターンが形成されていることを特徴とする窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項１３】
エピタキシャル成長により形成される窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板において、前記サファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成して作製することを特徴とする窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項１４】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状が、ストライプ形状、格子形状、複数の多角形を配置した形状、同心円形状、らせん形状、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称又は略点対称な形状のいずれかであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項１５】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの形成位置は、前記サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上９５％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチが５０μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１４のいずれかに記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項１６】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状が、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称、略点対称な形状、格子形状のいずれかであり、前記改質領域パターンの形成位置が、サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上５０％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチが５０μm以上２０００μm以下であることを特徴とする請求項１４のいずれかに記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板。
【請求項１７】
請求項１２〜１６に記載の窒化物半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の窒化物半導体層を成膜したことを特徴とする窒化物半導体層成膜体。
【請求項１８】
請求項１７に記載の窒化物半導体層成膜体を備えることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項１９】
前記窒化物半導体デバイスは、発光素子、電子デバイス、受光素子のいずれかであることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２０】
請求項１７に記載の窒化物半導体層の厚膜からなることを特徴とする窒化物半導体バルク基板。
【請求項２１】
前記窒化物半導体バルク基板は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ (ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）からなることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体バルク基板。
【請求項２２】
請求項７〜２１において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が０ｋｍ−１より大きく１６０ｋｍ−１以下であることを特徴とする改質領域パターン形成用サファイア基板。
【請求項２３】
請求項７〜２１において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が４０ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下であることを特徴とする改質領域パターン形成用サファイア基板。
【請求項２４】
請求項７〜２１において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が８５ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下であることを特徴とする改質領域パターン形成用サファイア基板。
【請求項２５】
前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の直径は５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、厚みは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれかに記載の改質領域パターン形成用サファイア基板。
【請求項２６】
エピタキシャル成長により形成される結晶性膜の成膜に用いられる単結晶基板の内部に、前記単結晶基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成し、前記単結晶基板の反り形状及び／又は反り量を制御することを特徴とするエピタキシャル成長用内部改質基板の製造方法。
【請求項２７】
前記単結晶基板の材質が、サファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣのいずれかであることを特徴とする請求項２６に記載のエピタキシャル成長用内部改質基板の製造方法。
【請求項２８】
請求項２６又は２７に記載のエピタキシャル成長用内部改質基板の成膜面上に、少なくとも一層の結晶性膜を成膜することを特徴とする結晶成膜体の製造方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の結晶成膜体を用いて作製することを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の結晶成膜体の厚膜を用いて作製することを特徴とするバルク基板の製造方法。
【請求項３１】
エピタキシャル成長により形成される半導体層の成膜に用いられるサファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成し、前記単結晶基板の反り形状及び／又は反り量を制御することを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質基板の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の半導体層を形成することを特徴とする半導体層成膜体の製造方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の半導体層成膜体を用いて作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の半導体層成膜体の厚膜を用いて作製することを特徴とする半導体バルク基板の製造方法。
【請求項３５】
エピタキシャル成長により形成される窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成し、前記単結晶基板の反り形状及び／又は反り量を制御することを特徴とする窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質基板の製造方法。
【請求項３６】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状は、ストライプ形状、格子形状、複数の多角形を配置した形状、同心円形状、らせん形状、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称又は略点対称な形状のいずれであることを特徴とする請求項３５に記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項３７】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの形成位置は、前記サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上９５％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチは、５０μm以上２０００μm以下であることを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項３８】
少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状は、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称、略点対称な形状、又は格子形状であり、前記改質領域パターンの形成位置が、サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上５０％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチが、５０μm以上２０００μm以下であることを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項３９】
請求項３５〜３８に記載の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体層成膜体の製造方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の窒化物半導体層成膜体を用いて作製することを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４１】
前記窒化物半導体デバイスは、発光素子、電子デバイス、受光素子のいずれかであることを特徴とする請求項４０に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４２】
請求項３９に記載の窒化物半導体層成膜体の厚膜を用いて作製することを特徴とする窒化物半導体バルク基板の製造方法。
【請求項４３】
前記窒化物半導体バルク基板は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ (ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）からなることを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体バルク基板。
【請求項４４】
請求項３１〜４３において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率の逆数が０ｋｍ−１より大きく１６０ｋｍ−１以下であることを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項４５】
請求項３１〜４３において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率の逆数が４０ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下であることを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項４６】
請求項３１〜４３において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状は、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率の逆数が８５ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下であることを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【請求項４７】
請求項４４〜４６において、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の直径は５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、厚みは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする半導体層エピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長用内部改質基板とそれを用いて作製される結晶成膜体、デバイス、バルク基板、及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムに代表される窒化物半導体は、バンドギャップが広く、青色系の発光が可能であることから、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）等に広く用いられている。近年は、更なる発光効率アップや高輝度化への取り組みが盛んに行われている。
【０００３】
一般的な窒化物半導体発光素子構造は、サファイア基板上に、ＧａＮより成るバッファ層、n型ＧａＮより成るｎ型コンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮより成るｎ型クラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮより成る活性層、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮより成るｐ型コンタクト層が順に積層されたダブルヘテロ構造を有している。活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる井戸層のみの単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造もしくは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる井戸層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ＜ｘ）よりなる障壁層との多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）のＩｎを含む構成となっている。（特許文献１）
【０００４】
サファイア基板上に上述の窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させると、窒化ガリウムとサファイアの熱膨張係数差及び格子定数差に起因して、成膜後のサファイア基板に反りが発生することが知られている。
【０００５】
非特許文献１では、サファイア基板上に、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ層をエピタキシャル成長し、成膜により発生する熱応力がＧａＮ層膜厚に依存してどのように緩和されるかを調べている。この非特許文献１では、膜厚が厚くなるに従って基板の反りが大きくなり、それに伴って界面欠陥（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｆｅｃｔｓ）、マイクロクラック（Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓ）や転位（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、マクロクラックス（Ｍａｃｒｏｃｒａｃｋｓ）が発生することで応力を緩和するということが明らかにされている。
【０００６】
また、非特許文献２のＦｉｇ．４には、サファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤ構造をエピタキシャル成長する工程を通して発生する基板の反りを、Ｉｎ−ｓｉｔｕ観察する解析手法が開示されている。これによると、一連の成膜工程において、成膜物質、成膜温度、膜厚の変化によりサファイア基板の曲率が大きく変化することが示されている。
【０００７】
そして、活性層であるＩｎＧａＮ層の成長段階でサファイア基板の曲率がほぼ０となるような成膜工程とすることによって、基板面内における発光波長を均一化することが明らかにされている。
【０００８】
上述のとおり、一連の成膜工程を通してサファイア基板の反りが大きく変化し、窒化物半導体膜の品質や発光波長の均一性に影響を与えることが知られている。
【０００９】
実際には、基板との熱膨張係数差を利用して、ＩｎＧａＮ系活性層において基板曲率がほぼ０となるように、サファイア基板の反り形状及び反り量が設定される。このような背景から、サファイア基板の形状及び反り量を制御するために、様々な研磨加工技術が検討されている（例えば特許文献２）。
【００１０】
一方で、サファイア基板上に窒化物半導体が積層された発光素子を分割する際に、８０〜９０μｍ程度の厚みを有するサファイア基板の内部に、パルスレーザを集光し、発光素子の分割予定ラインに対応する変質領域を形成する技術が知られている（特許文献３）。特許文献３の発明は、サファイア基板にレーザ光線を照射して個々の発光素子に分割しても発光素子の輝度低下を抑制し得るサファイア基板の加工方法であり、発光素子の分割を目的としている。
【００１１】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 1528-1533
【非特許文献２】J. Cryst. Growth, Vol.272, Issues 1-4, (2004), pp.94-99
【特許文献１】特許第３２５０４３８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４７７７６号公報
【特許文献３】特開２００８−６４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、窒化ガリウム系発光ダイオード構造を得る一連の成膜工程を通して、サファイア基板の反りが大きく変化することによって、窒化物半導体層の品質や発光波長の均一性が悪くなり、発光ダイオードの歩留まりが悪くなるという問題があった。
【００１３】
この問題に対し従来の方法では、ＩｎＧａＮ系活性層の成長段階における基板の曲率がほぼ０となるように、サファイア基板の反り形状及び反り量を設定する手法をとっていた。つまり、ＩｎＧａＮ系活性層の成長段階で発生する反り量分をあらかじめサファイア基板に与え、相殺するという手法である。これによって、発光波長のバラツキはある程度抑えることができるものの、ＩｎＧａＮ系活性層以外の成膜工程で発生する基板の反りの問題は解決できないという問題があった。
【００１４】
特に、ｎ−ＧａＮ層成長段階や、成膜終了後に基板をクールダウンする際に、サファイア基板が大きく反ることで、膜品質及び膜品質均一性が低下したり、基板のバックグラインド加工が均一に出来なくなる等の問題があった。これらは、発光ダイオード等デバイスの歩留まりに大きく影響することから、成膜工程全体を通して基板の反りとその変化量を抑制し、基板の反り挙動自体を小さくすることが必要であったが、そのようなサファイア基板は従来存在しなかった。
【００１５】
また、サファイア基板が大口径化すると、研磨加工による精密な反り形状及び反り量の制御自体が困難になるという問題がある。研磨加工を施したサファイア基板には、通常、加工歪の残留や上下面の仕上げの表面粗さの違いによって基板に反りが発生することが知られている。例えば、片面が研磨されている基板では、主に上下面の表面粗さが異なることが反りの要因になり、両面が研磨されている基板では、上下面の表面粗さがわずかに異なることに加えて、基板面内での表面粗さがわずかにばらつくことが反りの要因になる。
【００１６】
特に、大口径基板では、基板面内での表面粗さを均一にすることが技術的に困難であり、研磨加工のみでは所望の反り形状及び反り量に精密に制御できないという技術的限界の問題があった。
【００１７】
また、窒化物半導体バルク基板を得るために、サファイア基板上に、窒化物半導体の厚膜を自立可能な厚さまでエピタキシャル成長させようとすると、サファイアと窒化物半導体の熱膨張係数差によってサファイア基板が大きく反り、さらに膜厚が増加することで反り量が増大するという問題があった。そのため、結果として成膜中や成膜後にクラックが発生し、自立可能な窒化物半導体バルク基板を得ることが実質的に不可能であった。
【００１８】
これらの解決手段として、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒ  Ｇｒｏｗｔｈ）法やＤＥＥＰ（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｐｙｒａｍｉｄａｌ  Ｐｉｔｓ）法やＶＡＳ（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）法等が提案されているが、どちらも工程が複雑になるという欠点があった。
【００１９】
このような問題に鑑みて、本発明の目的は、主に窒化物半導体層のエピタキシャル成長に用いるサファイア基板において、効率良く基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御することができ、且つ、成膜中に生じる基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることのできるサファイア基板と、それを用いて作製される窒化物半導体層成膜体、窒化物半導体デバイス、窒化物半導体バルク基板及びそれらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる前のサファイア基板内部に、パルスレーザを用いて改質領域パターンを形成することでサファイア基板の応力をコントロールし、効率良く基板の反り形状及び／又は反り量を制御可能であることを見出した。
【００２１】
また、本発明により得られたサファイア基板を用いて窒化物半導体層を形成すると、成膜により発生する応力を改質領域パターンが形成されたサファイア基板の応力で相殺することができ、成膜工程における基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくできることを見出し、本発明を完成させた。
【００２２】
即ち、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、エピタキシャル成長により形成される窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板において、前記サファイア基板内部にパルスレーザによる多光子吸収を利用した改質領域パターンが形成されていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、前記サファイア基板の内部に、前記サファイア基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成して作製することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、上記発明に加えて、少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状が、ストライプ形状、格子形状、複数の多角形を配置した形状、同心円形状、らせん形状、、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称又は略点対称な形状のいずれかであることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、上記発明に加えて、少なくとも１種類の前記改質領域パターンの形成位置は、前記サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上９５％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチが５０μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、上記発明に加えて、少なくとも１種類の前記改質領域パターンの平面形状が、サファイア基板の中心点を通る直線に対して略線対称、略点対称な形状、格子形状のいずれかであり、前記改質領域パターンの形成位置が、サファイア基板の成膜面から、基板厚みの３％以上５０％以下の位置であり、前記改質領域パターンを構成する各ライン間のピッチが５０μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の窒化物半導体層成膜体は、前記窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の窒化物半導体層を成膜して作製することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の窒化物半導体デバイスは、本発明の窒化物半導体層成膜体を用いて作製することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の窒化物半導体バルク基板は、本発明の窒化物半導体層の厚膜を用いて作製することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状が、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が０ｋｍ−１より大きく１６０ｋｍ−１以下である改質領域パターン形成用サファイア基板を用いて作製することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状が、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が４０ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下である改質領域パターン形成用サファイア基板を用いて作製することを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の窒化物半導体層のエピタキシャル成長用内部改質サファイア基板は、前記改質領域パターン形成前のサファイア基板の形状が、前記半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が８５ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下である改質領域パターン形成用サファイア基板を用いて作製することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の改質領域パターン形成用サファイア基板は、直径５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下、厚みは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００３４】
本発明の内部改質サファイア基板は、窒化物半導体を含む各種の半導体層のエピタキシャル成長に適用できる。また、パルスレーザによって内部に改質領域をパターン形成することのできるサファイア以外のあらゆる単結晶基板に適用できる。特に、エピタキシャル成長に用いられる単結晶基板では、ヘテロエピタキシャル成長に限らず、同一組成又は混晶を含むホモエピタキシャル成長においても発生する基板の反りの問題を解決できるため有用である。そのため、各種デバイス又は各種バルク基板の品質や歩留まりを向上させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、以下に記載されるような効果を有する。
【００３６】
請求項１又は２に記載の発明によれば、主にエピタキシャル成長により得られる結晶性膜の成膜に用いられる単結晶基板において、効率良く、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御した単結晶基板を提供できる。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。また、エピタキシャル成長工程において発生する基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることのできる単結晶基板を提供できるという効果を有する。
【００３７】
請求項３に記載の発明によれば、パルスレーザを用いて、基板内部に改質領域パターンを形成可能なサファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣ等の単結晶基板において、請求項１又は２と同様の効果を有する。
【００３８】
請求項４に記載の発明によれば、成膜により発生する応力を、改質領域パターンが形成された単結晶基板の応力で相殺することができるため、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができる。
【００３９】
その結果、結晶性膜中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させた結晶成膜体を得ることができる。本発明の結晶成膜体を用いて、各種デバイスを構成することができる。また、本発明の結晶成膜体は、エピタキシャル成長により自立可能な膜厚を有する厚膜を形成する際に、下地基板として用いることができる。
【００４０】
請求項５に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた結晶成膜体を用いて各種デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した各種デバイスを提供できる。
【００４１】
請求項６に記載の発明によれば、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに結晶性膜の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する結晶性膜の厚膜で構成される各種のバルク基板を提供できる。
【００４２】
請求項７又は８に記載の発明によれば、半導体層のエピタキシャル成長に用いられるサファイア基板において、効率良く、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御したサファイア基板を提供できる。また、本発明のサファイア基板によれば、内部に改質領域パターンを形成するため、基板の再洗浄が不要である。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。
【００４３】
また、本発明のサファイア基板を用いることによって、半導体層のエピタキシャル成長工程において発生する基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるという効果を有する。さらに、サファイア基板表面にパターンを有さないため、大幅な成膜条件の変更が不要であり、従来のサファイア基板と同様の条件で成膜を行うことができる。
【００４４】
請求項９に記載の発明によれば、半導体層の成膜により発生する応力を、改質領域パターンが形成されたサファイア基板の応力で相殺することができるため、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができる。
【００４５】
その結果、半導体層中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させた半導体層成膜体を得ることができる。本発明の半導体層成膜体を用いて、各種の半導体デバイスを構成することができる。また、本発明の半導体層成膜体は、エピタキシャル成長により自立可能な膜厚を有する厚膜を形成する際に、下地基板として用いることができる。
【００４６】
請求項１０に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた半導体層成膜体を用いて各種半導体デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した各種半導体デバイスを提供できる。
【００４７】
請求項１１に記載の発明によれば、半導体層の成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに半導体層の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する半導体層成膜体の厚膜で構成される各種の半導体バルク基板を提供できる。
【００４８】
請求項１２又は１３に記載の発明によれば、窒化物半導体層のエピタキシャル成長に用いられるサファイア基板において、効率良く、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御したサファイア基板を提供できる。また、本発明のサファイア基板によれば、内部に改質領域パターンを形成するため、基板の再洗浄が不要である。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。
【００４９】
また、本発明のサファイア基板を用いることによって、窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程において発生する基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるという効果を有する。さらに、サファイア基板表面にパターンを有さないため、大幅な成膜条件の変更が不要であり、従来のサファイア基板と同様の条件で成膜を行うことができる。
【００５０】
請求項１４に記載の発明によれば、請求項１２又は１３に記載の効果に加えて、主に基板の反り形状を均一に制御したサファイア基板を提供できるという効果を有する。
【００５１】
請求項１５に記載の発明によれば、請求項１２〜１４に記載の効果に加えて、主に基板の反り量を精密に制御したサファイア基板を提供できるという効果を有する。
【００５２】
請求項１６に記載の発明によれば、請求項１２〜１４に記載の効果に加えて、さらに良好に窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程において発生する基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることのできるサファイア基板を提供できるという効果を有する。
【００５３】
請求項１７に記載の発明によれば、
窒化物半導体層の成膜により発生する応力を、改質領域パターンが形成されたサファイア基板の応力で相殺することができるため、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができる。
【００５４】
その結果、窒化物半導体層中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させた窒化物半導体層成膜体を得ることができる。本発明の窒化物半導体層成膜体を用いて、各種の窒化物半導体デバイスを構成することができる。また、本発明の窒化物半導体層成膜体は、エピタキシャル成長により自立可能な膜厚を有する厚膜を形成する際に、下地基板として用いることができる。
【００５５】
請求項１８に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた窒化物半導体層成膜体を用いて各種の窒化物半導体デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した各種の窒化物半導体デバイスを提供できる。
【００５６】
請求項１９に記載の発明によれば、窒化物半導体デバイスとして、特に、発光素子、電子デバイス、受光素子のいずれかを提供できる。
【００５７】
請求項２０に記載の発明によれば、窒化物半導体層の成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに窒化物半導体層の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する窒化物半導体層成膜体の厚膜で構成される各種の窒化物半導体バルク基板を提供できる。
【００５８】
請求項２１に記載の発明によれば、窒化物半導体バルク基板として、特に、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ (ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）からなる窒化物半導体バルク基板を提供できる。
【００５９】
請求項２２に記載の発明によれば、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御した内部改質サファイア基板を作製することができる。
【００６０】
請求項２３又は２４に記載の発明によれば、請求項２２に記載の効果に加えて、基板窒化物半導体層の成膜工程において、基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることのできる内部改質サファイア基板を作製することができる。
【００６１】
請求項２５に記載の発明によれば、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御し、且つ基板窒化物半導体層の成膜工程において、基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることが可能な内部改質サファイア基板を効率良く作製することができる。
【００６２】
請求項２６に記載の発明によれば、単結晶基板の反り形状及び／又は反り量を、効率良く、精密に制御することができる。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。
【００６３】
請求項２７に記載の発明によれば、パルスレーザを用いて基板内部に改質領域パターンを形成可能なサファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣ等の単結晶基板において、請求項２６と同様の効果を有する。
【００６４】
請求項２８に記載の発明によれば、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるため、結晶性膜中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させることができる。
【００６５】
請求項２９に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた結晶成膜体を用いて各種デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した各種デバイスを製造することができる。
【００６６】
請求項３０に記載の発明によれば、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに結晶性膜の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する結晶性膜の厚膜で構成される各種のバルク基板を製造することができる。
【００６７】
請求項３１に記載の発明によれば、半導体層のエピタキシャル成長に用いられるサファイア基板の反り形状及び／又は反り量を、効率良く、精密に制御することができる。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。また、本発明では、内部に改質領域パターンを形成するため、基板の再洗浄が不要であるという効果を有する。
【００６８】
請求項３２に記載の発明によれば、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるため、半導体層成膜中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させることができる。さらに、サファイア基板表面にパターンを有さないため、大幅な成膜条件の変更が不要であり、従来のサファイア基板と同様の条件で成膜を行うことができるという効果を有する。
【００６９】
請求項３３に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた半導体層成膜体を用いて各種半導体デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した各種半導体デバイスを製造することができる。
【００７０】
請求項３４に記載の発明によれば、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに半導体層の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する半導体層の厚膜で構成される各種の半導体バルク基板を製造することができる。
【００７１】
請求項３５に記載の発明によれば、窒化物半導体層のエピタキシャル成長に用いられるサファイア基板の反り形状及び／又は反り量を、効率良く、精密に制御することができる。本発明は、研磨加工のみでは技術的に制御が困難になる大口径基板において特に有効である。また、本発明では、内部に改質領域パターンを形成するため、基板の再洗浄が不要であるという効果を有する。
【００７２】
請求項３６に記載の発明によれば、請求項３５に記載の効果に加えて、主にサファイア基板の反り形状を均一に制御することが可能になるという効果を有する。
【００７３】
請求項３７に記載の発明によれば、請求項３６に記載の効果に加えて、主にサファイア基板の反り量を精密に制御することが可能になるという効果を有する。
【００７４】
請求項３８に記載の発明によれば、請求項３５〜３７に記載の効果に加えて、より良好に、窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程において発生する基板の反りを抑制し、サファイア基板の反り挙動を小さくすることが可能になるという効果を有する。
【００７５】
請求項３９に記載の発明によれば、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるため、窒化物半導体層成膜中の転位の発生や膜厚不均一化を抑えることができ、膜の品質及び均一性を向上させることができる。さらに、サファイア基板表面にパターンを有さないため、大幅な成膜条件の変更が不要であり、従来のサファイア基板と同様の条件で成膜を行うことができるという効果を有する。
【００７６】
請求項４０に記載の発明によれば、膜の品質及び均一性を向上させた窒化物半導体層成膜体を用いて窒化物半導体デバイスを構成することができるため、品質及び歩留まりの向上した窒化物半導体デバイスを製造することができる。
【００７７】
請求項４１に記載の発明によれば、窒化物半導体デバイスとして、特に、発光素子、電子デバイス、受光素子のいずれかの品質及び歩留まりを向上できる。
【００７８】
請求項４２に記載の発明によれば、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができるため、複雑な工程を用いることなく、また、クラックを発生させずに窒化物半導体層の厚膜を成長させることができる。そのため、自立可能な膜厚を有する窒化物半導体層の厚膜で構成される窒化物半導体バルク基板を製造することができる。
【００７９】
請求項４３に記載の発明によれば、特に、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ (ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）からなる窒化物半導体層の厚膜をクラックを発生させずに製造することができる。
【００８０】
請求項４４に記載の発明によれば、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御した内部改質サファイア基板を効率良く作製することができる。
【００８１】
請求項４５又は４６に記載の発明によれば、請求項４４に記載の効果に加えて、基板窒化物半導体層の成膜工程において、基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることのできる内部改質サファイア基板を効率良く製造することができる。
【００８２】
請求項４７に記載の発明によれば、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御し、且つ基板窒化物半導体層の成膜工程において、基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることが可能な内部改質サファイア基板を効率良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００８４】
本発明のエピタキシャル成長用内部改質基板は、エピタキシャル成長により形成される結晶性膜の成膜に用いられる単結晶基板の内部に、前記単結晶基板の研磨面側を通してパルスレーザを集光し、走査し、前記パルスレーザによる多光子吸収を利用して改質領域パターンを形成して作製することを特徴とする。
【００８５】
単結晶基板は、パルスレーザによる多光子吸収を利用して内部に改質領域を形成可能な材質であればよく、サファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣ等が挙げられる。また、単結晶基板ではなく、石英やガラス等でも良い。
【００８６】
用いるパルスレーザの波長は、適用する単結晶基板の吸収端波長より長い、透明な波長域の波長が適している。パルス幅、照射エネルギーは材料の物性に合わせて適宜選択する必要がある。
【００８７】
単結晶基板がサファイア基板の場合、パルスレーザの波長は２００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下、パルス幅はピコ秒〜フェムト秒、さらに好ましくは２００ｆｓ〜８００ｆｓ、繰り返し周波数は５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚが好ましい。レーザパワーは０．０５〜０．８Ｗ、レーザのスポットサイズは０．５〜４μｍ、スポットサイズは、２μｍ程度が好ましい。試料ステージの走査速度は、量産性を考えると１００〜１０００ｍｍ／ｓが好ましい。
【００８８】
また、表１に、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶における改質領域を形成できる典型的な加工条件を示す。
【表１】
2010165817.tif 000003
【００８９】
Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶の場合、スポットサイズは、０．５μｍ〜４μｍ程度の範囲が好ましい。ステージ走査速度は、５０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ、量産性を考えると１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓが好ましい。パルス幅は、Ｓｉの場合５０ｎｓ〜２００ｎｓ、ＧａＡｓの場合３０ｎｓ〜８０ｎｓ、水晶の場合２００ｆｓ〜８００ｆｓが好ましい。照射エネルギーは、Ｓｉでは３〜１２μＪ、ＧａＡｓでは８〜２０μＪ、水晶では３〜６μＪがそれぞれ好ましい。繰り返し周波数は１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚが好ましい。
【００９０】
単結晶基板の大きさは限定されないが、直径５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下のものを用いることができる。基板の厚みは、０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のものを用いることができる。
【００９１】
単結晶基板は、少なくともエピタキシャル成長により形成される結晶性膜の成膜に用いられる面が研磨されていればよい。通常、単結晶基板には、研磨による加工歪の残留や仕上げの表面粗さが上下面で異なることによって、反りが発生している。例えば、片面が研磨されている基板では、主に上下面の表面粗さが異なることが反りの要因になり、両面が研磨されている基板では、上下面の粗さがわずかに異なることに加えて、基板面内での表面粗さがわずかにばらつくことが反りの要因になる。
【００９２】
またエピタキシャル成長とは、同一組成又は混晶を含むホモエピタキシャル成長、ヘテロエピタキシャル成長を含む。
【００９３】
図１に示すように、単結晶基板１の研磨面側を通して、基板内部にパルスレーザ２を集光し、試料ステージを連続的に高速で走査すると、スポット状の改質領域３が連続的につながったライン状の改質領域が形成される。
【００９４】
局所的に見ると、スポット状の改質領域３は、パルスレーザが瞬間的に照射された部分にのみ形成され、その大きさは、レーザのスポットサイズ、レーザ強度及びパルス幅に依存する。また、ライン状に形成されるスポット状の改質領域３の距離は、レーザの繰り返し周波数とステージの走査速度に依存して形成される。
【００９５】
これらライン状に形成された改質領域を複数本組み合わせることで、基板の厚み方向の所望の位置に少なくとも１種類の改質領域パターンを形成する。改質領域とは、レーザが照射された部分において局所的に多光子吸収を発生させて形成された変質層である。
【００９６】
図２に示すように、改質領域パターンのパターン形状、各ライン間のピッチ４、形成位置５、改質層長さ６等の条件を最適化することによって、基板全体の応力をコントロールし、基板の反り形状及び／又は反り量を精密に制御することができる。
【００９７】
パターン形状としては、例えば図２に示すように、その平面形状が、複数本のラインを基板のオリフラ面に対して垂直又は平行に形成したストライプ形状（図２（ａ）、（ｂ））、それら両方を組み合わせた格子状（図２（ｃ））などが形成可能である。その他にも、複数の多角形を配置した形状（図２（ｄ））、同心円形状（図２（ｅ））、らせん形状などが形成できる。
【００９８】
パターン形状は、主に基板の反り形状の対称性に影響するため、基板面内において均一な反り形状を得ようとすれば、その平面形状は、基板の中心点を通る直線に対して略線対称又は略点対称であるような形状が好ましい。逆に、平面形状がストライプ形状であれば、基板の反り形状に偏りをもたせることも可能である。
【００９９】
各ライン間のピッチ４は、主に改質領域パターン形成後の基板の反り量の変化量に影響し、各ライン間のピッチが小さくなるほど変化量が大きくなる。ピッチが小さくなるほど加工時間がかかるため、量産性を考慮すると、５０μｍ〜２０００μｍが好ましく、さらには１００μｍ〜１０００μｍが好ましい。
【０１００】
形成位置５は、主に改質領域パターン形成後の基板の反り量の変化量に影響し、形成位置が表面に近いほど変化量が大きくなる。単結晶基板の成膜面に影響を与えないようにするには、少なくとも１種類の改質領域パターンの形成位置は、基板の成膜面を基準として、基板厚みの３％以上９５％以下、さらに好ましくは、３％以上５０％以下に設定するのが好ましい。複数の改質領域パターンを基板の厚み方向の異なる形成位置に形成してもよい。
【０１０１】
改質層長さ６は、レーザのスポットサイズ、照射エネルギー（レーザパワー／繰り返し周波数）、パルス幅に依存して形成され、通常、数μｍ〜数十μｍ程度の厚みで形成される。
【０１０２】
上述したように、単結晶基板内部に改質領域パターンを形成し、基板の応力をコントロールすることによって、効率良く、基板の反り形状及び／又は反り量が精密に制御された内部改質基板を得ることができる。
【０１０３】
また、本発明により得られる内部改質基板の成膜面上に、エピタキシャル成長によって、少なくとも一層の結晶性膜を形成し、結晶成膜体を作製することができる。結晶性膜の形成方法は、気相成長、液相成長どちらにも適用できる。例えばＭＢＥ法、ＣＶＤ法、ＶＰＥ法、ＬＰＥ法、昇華法等各種の結晶成長法を用いることができる。
【０１０４】
本発明の内部改質基板を用いると、成膜により発生する応力を、内部改質基板の応力で相殺することができるため、成膜中の基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができる。そのため、結晶性膜の品質及び均一性を向上させた結晶成膜体を得ることができる。
【０１０５】
本発明により得られる結晶成膜体を用いて、各種デバイスを構成すると、デバイスの品質及び歩留まりを向上させることができる。
【０１０６】
また、本発明の結晶成膜体を下地材として用い、さらにホモエピタキシャル成長により自立可能な膜厚を有する結晶性膜の厚膜を形成することができる。また、結晶性膜の厚膜を結晶成膜体からなる下地材から分離し、バルク基板を得ることができる。
【０１０７】
さらには、本発明の内部改質基板上に結晶性膜の厚膜を形成し、内部改質基板から分離することによっても、結晶性膜の厚膜からなるバルク基板を得ることができる。本発明の内部改質基板を用いると、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制できるため、クラックを発生させずに厚膜を形成することができる。
【０１０８】
自立可能な膜厚としては、５０μｍ以上が好ましい。また、厚膜の形成方法として、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＬＰＥ法等を用いることができる。
【０１０９】
前記単結晶基板としてサファイア基板を用いることにより、上述した内部改質基板と同様の効果を有し、且つ、エピタキシャル成長により形成される半導体層の成膜に適した内部改質サファイア基板を得ることができる。
【０１１０】
また、本発明の内部改質サファイア基板の成膜面上に、エピタキシャル成長によって、少なくとも１層の半導体層を形成し、半導体層成膜体を作製することができる。本発明により得られる半導体層成膜体を用いて構成される半導体デバイス、及び半導体バルク基板を得ることができる。
【０１１１】
特に、半導体層が窒化物半導体である場合、窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板としては、直径５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下のものを用いることができる。本発明は、大口径基板においてより大きな効果を有するため、直径が７５ｍｍ以上、さらには１５０ｍｍより大きな基板では特に有用である。上述にかかわらず、基板サイズは限定されるものではない。
【０１１２】
窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板の厚みは、０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のものを用いることができる。サファイア基板自体を破壊しない位置に改質領域パターンを形成するためには、基板の厚みは０．１ｍｍ以上が好ましい。また、より好ましくは、基板の直径が５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の場合には０．３ｍｍ以上、基板の直径が１５０ｍｍを超える場合は０．５ｍｍ以上が好ましい。
【０１１３】
また、窒化物半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が０ｋｍ−１より大きく１６０ｋｍ−１以下のものを用いることができる。
【０１１４】
窒化物半導体層の成膜に用いられるサファイア基板の内部に、改質領域パターンを形成する場合、パターンの平面形状は、前述したように、ストライプ形状、格子形状、複数の多角形を配置した形状、同心円形状、らせん形状、基板の中心点を通る直線に対して略線対称又は略点対称であるような形状のいずれかが好ましい。基板面内において均一な反り形状及び反り量を有する内部改質サファイア基板を得るためには、基板の中心点を通る直線に対して略線対称、略点対称、格子形状のいずれかの形状がより好ましい。
【０１１５】
各ライン間のピッチは、５０μｍ〜２０００μｍが好ましく、さらには１００μｍ〜１０００μｍが好ましい。さらに量産性を考慮すると、２００μｍ〜５００μｍがより好ましい。
【０１１６】
少なくとも１種類の改質領域パターンの形成位置が、基板の成膜面を基準として、基板厚みの３％以上９５％以下、さらに好ましくは、３％以上５０％以下に形成するように設定するのが好ましい。複数の改質領域パターンを基板の厚み方向の異なる形成位置に形成してもよい。
【０１１７】
また、従来、サファイア基板上に窒化物半導体層が積層された発光素子を分割する際には、窒化物半導体層の成膜後にサファイア基板を１００μｍ程度までバックグラインド加工したあとで、分割用のパターンをサファイア基板内部に形成しているが、窒化物半導体層の成膜前に設ける改質領域パターンの平面形状を格子状とし、最終的にＬＥＤチップの分割用として用いることも可能である。その場合、サファイア基板のバックグラインド加工後に残る厚み分の中に、パターンが残るような位置に形成するのが望ましい。
【０１１８】
本発明により得られる内部改質サファイア基板の成膜面上に、少なくとも一層の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、窒化物半導体層成膜体を製造する形態について、下記に述べる。
【０１１９】
図３（ａ）〜（ｄ）に、サファイア基板上への窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程を示す。成膜方法には、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等を用いることができる。はじめに、サファイア基板７のサーマルクリーニングを行い（図３（ａ））、低温バッファ層８の成長を行う（図３（ｂ））。続いて、ｎ−ＧａＮ層９（図３（ｃ））、多重量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ系活性層１０を成長させる（図３（ｄ））。
【０１２０】
図４に窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程におけるＩｎ−ｓｉｔｕ観察例を示す。非特許文献２で開示されているように、Ｉｎ−ｓｉｔｕ観察によって成膜中のサファイア基板の挙動を定量的に解析することが可能である。即ち、基板の反り形状や反り量が成膜中にどのように変化しているかを知ることができる。
【０１２１】
図４において、横軸は時間であり、縦軸は成膜面の基板の曲率（ｋｍ−１）を表している。縦軸の正の方向は、成膜面が凸面形状であり、負の方向は成膜面が凹面形状であることを示している。
【０１２２】
基板の曲率から基板の反り量を算出することができる。つまり、図５に示すように、基板の曲率半径をＲとすると、曲率１／Ｒを有する基板の反り量Ｘ（μｍ）は、基板の直径を近似的にＤとして用いることで、簡易的に、基板の直径が５０ｍｍの場合は、０．３２２×曲率（ｋｍ−１）、基板の直径が１５０ｍｍの場合は、１．２５０×曲率（ｋｍ−１）として求めることができる。
【０１２３】
図４中のスペクトルＡは、改質領域パターンを形成していない従来のサファイア基板を用いた例を示している。
【０１２４】
また、図４（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ成膜工程の各過程に対応している。即ち、（ａ）基板のサーマルクリーニング、（ｂ）低温バッファ層成長、（ｃ）ｎ−ＧａＮ層成長、（ｄ）ＩｎＧａＮ系活性層成長、（ｅ）クールダウンに対応している。
【０１２５】
図４のスペクトルＡを用いて、図４（ａ）〜（ｅ）における基板の挙動について説明する。
【０１２６】
（ａ）基板サーマルクリーニングに移行する段階では、サファイア基板の上下面での温度差に起因して、基板成長面の凹面形状がさらに強まり、曲率が大きく変化する。
【０１２７】
続いて、通常５００〜６００℃程度に温度を下降し、（ｂ）低温バッファ層成長に移行する段階では、基板の凹面形状が弱まり、曲率はやや小さくなる。
【０１２８】
続いて再び１０００℃程度に温度を上昇し、（ｃ）ｎ−ＧａＮ層成長を行う段階では、窒化ガリウムとサファイアの格子定数差に起因して、基板の凹面形状が強まり曲率は大きくなる。さらに成膜が進行し、膜厚が大きくなるほど曲率が大きくなるため、膜厚および膜品質の基板面内均一性は著しく悪化する。成膜コンディションのみで基板面内均一性を制御することは技術的に難しいと言われている。また、窒化物半導体層中には、応力を緩和するために転位が発生し膜品質が悪化することが問題とされている。
【０１２９】
続いて温度を７００〜８００℃程度に下降して、（ｄ）ＩｎＧａＮ系活性層の成長段階では、ＩｎＧａＮ系活性層の膜厚とＩｎＧａＮ中のＩｎ組成の均一性が、発光波長の面内均一性に影響するため、ＬＥＤチップの製造歩留まりに影響する。ＩｎＧａＮ層の膜厚やＩｎ組成は成膜温度に影響を受けることから、基板面内の温度均一性を向上させるために、成膜中の基板の曲率はできるだけ０に近づけるのが理想的である。
【０１３０】
最終的に基板を（ｅ）クールダウンする段階で、再び熱膨張係数差によって基板形状が再び大きく反るため、一連の成膜工程終了後の基板の曲率は大きなものとなる。これは、ＬＥＤチップ化前のバックグラインド加工を困難にするという問題を生じさせる。
【０１３１】
以上、図４のスペクトルＡに示すように、従来のサファイア基板を用いると、ＩｎＧａＮ系活性層成長段階での基板曲率はほぼ０とすることが可能である一方で、成膜工程中の基板の挙動が大きく、成膜終了後の基板の曲率が大きくなってしまうという欠点があることが分かる。
【０１３２】
次に、従来のサファイア基板内部に改質領域パターンを形成することにより、本発明の内部改質サファイア基板を作製し、窒化物半導体層を成膜した場合のＩｎ−ｓｉｔｕの第１の例を、図４中のスペクトルＢに示す。
【０１３３】
スペクトルＢにおける内部改質サファイア基板の初期状態は、従来のサファイア基板よりも成膜面が凸面に反るように改質領域パターンが形成されていることが好ましい。それによって、従来のサファイア基板を用いたスペクトルＡと比較して基板の反り挙動を小さくすることができる。
【０１３４】
図４中のスペクトルＣには、スペクトルＢの場合と同様に、従来のサファイア基板内部に改質領域パターンを形成する際、各ライン間のピッチとパターン形成位置を調整し、サファイア基板の初期状態が、スペクトルＢよりもさらに凸面に大きく反っている内部改質サファイア基板を用いた例を示す。
【０１３５】
スペクトルＣは、成膜工程を通してさらに基板の挙動を小さくすることができる。即ち、スペクトルＡ、Ｂよりもさらに成膜中に発生する応力を基板の応力で相殺する効果が大きいことを示している。
【０１３６】
上述のスペクトルＢ、Ｃで得られる窒化物半導体層は、従来のサファイア基板を用いた場合と比較して、成膜中の基板の反りが抑制され、基板の反り挙動が小さくなるため、膜の品質及び均一性が向上する。
【０１３７】
しかしながら同時に、内部改質サファイア基板の初期状態が凸面に大きく反った状態となり、結果として、ＩｎＧａＮ系活性層成長段階及び成膜終了時点での基板の曲率は、従来のサファイア基板を用いた場合よりも大きくなってしまうという問題が発生する。
【０１３８】
即ち、本発明の内部改質サファイア基板は、図６中のスペクトルＣに示すように、基板の反り挙動を小さくするのと同時に、ＩｎＧａＮ系活性層成長段階及び成膜終了時点での基板の曲率を小さくすることができるような初期状態とすることが望ましい。
【０１３９】
それによって、窒化物半導体層の膜の品質及び均一性を向上させるとともに、窒化物半導体発光素子の発光波長の均一性を向上させることができる。
【０１４０】
そのため、改質領域パターン形成前のサファイア基板には、改質領域パターン形成によって凸面に大きく反る基板曲率分を、あらかじめ相殺できるようなサファイア基板を用いるのが望ましい。
【０１４１】
前述したように、改質領域パターン形成用サファイア基板としては、窒化物半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率が０ｋｍ−１より大きく１６０ｋｍ−１以下のものを用いることができる。また、前述の理由から、窒化物半導体層の成膜面が凹面であり、その凹面の曲率は、４０ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下が好ましく、さらには８５ｋｍ−１以上１５０ｋｍ−１以下が好ましい。
【０１４２】
以上述べたように、本発明の内部改質サファイア基板を用いることで、窒化物半導体層の膜の品質及び均一性を向上させた窒化物半導体層成膜体を得ることができる。
【０１４３】
本発明の窒化物半導体層成膜体を用いて、品質及び歩留まりの向上した発光素子、電子デバイス、受光素子等の窒化物半導体デバイスを構成することができる。
【０１４４】
また、本発明の窒化物半導体層成膜体上に、さらにエピタキシャル成長により自立可能な膜厚を有する窒化物半導体層の厚膜を形成したあとに、下地基板として用いた前記窒化物半導体層成膜体を分離し、窒化物半導体層の厚膜からなる窒化物半導体バルク基板を得ることができる。
【０１４５】
また、本発明の内部改質サファイア基板上に、前記窒化物半導体層の厚膜を形成させると、成膜中又は成膜後に発生する基板の反りを抑制することができ、クラックを発生させずに自立可能な膜厚を有する窒化物半導体層の厚膜を得ることができる。このように得られた窒化物半導体層の厚膜を前記内部改質基板から分離することによって、複雑な工程を用いることなく窒化物半導体バルク基板を得ることができる。窒化物半導体バルク基板として、特に、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ (ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）からなる窒化物半導体バルク基板を効率良く製造できる。
【実施例】
【０１４６】
次に、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。表２に示すレーザ条件を用いて、サファイア基板内部に改質領域パターンを形成し、基板の反り形状及び反り量の変化に対する影響を調べた。その結果を実施例１及び２に示す。
【表２】
2010165817.tif 000004
【０１４７】
（実施例１）
改質領域パターンを形成するサファイア基板として、片面が研磨された２インチサファイア基板を用いた。基板厚みは４３０μｍであった。改質領域パターン形成前の基板の反り形状及び反り量はレーザ干渉計で測定した。
【０１４８】
続いて、サファイア基板をパルスレーザ装置の試料ステージ上に設置し、サファイア基板内部への改質領域パターン形成を行った。
【０１４９】
表３にサンプル１〜９のパターン形状、各ライン間のピッチ、形成位置及び改質層長さ、一枚あたりの加工時間を示す。改質領域パターン形成後のサファイア基板の基板形状はレーザ干渉計で、反り量及び基板厚みはリニアゲージ及びレーザ干渉計で計測した。表３において、⊥Ｏ．Ｆ．はサファイア基板のオリフラに垂直、//Ｏ．Ｆ．はオリフラに平行であることを示す。
【表３】
2010165817.tif 000005
【０１５０】
表４に改質領域パターン形成前後の基板の反り形状、反り量、及びパターン形成後の基板面内における反り形状の対称性を示す。基板の反り形状は、成膜面側の形状を示す。
【表４】
2010165817.tif 000006
【０１５１】
（実施例２）
内部改質領域パターンを形成するサファイア基板として、片面が研磨された４インチサファイア基板を用いた。基板厚みは６５０μｍであった。実施例１と同様に、改質領域パターン形成前の基板の反り形状及び反り量はレーザ干渉計で測定した。
【０１５２】
続いて、サファイア基板をパルスレーザ装置の試料ステージ上に設置し、サファイア基板内部への改質領域パターン形成を行った。表５にサンプル１０〜１９のパターン形状、ピッチ、形成位置を示す。
【表５】
2010165817.tif 000007
【０１５３】
改質領域パターン形成後の基板の反り形状はレーザ干渉計で、反り量はリニアゲージで計測した。表６に改質領域パターン形成前後の基板形状、反り量、及び反り量から算出した曲率を比較して示す。基板の反り形状は、成膜面側の形状を示す。
【表６】
2010165817.tif 000008
【０１５４】
また、改質領域パターン形成後の基板曲率の変化量に対する、形成位置と各ライン間のピッチ依存性を図７に示す。
【０１５５】
（実施例３）
実施例２において改質領域パターンを形成したサファイア基板のうち、サンプル１０，１２，１４，１６，１８と、パターン未形成の従来のサファイア基板（サンプル２０とする）を同時にＭＯＣＶＤ装置に導入し、サファイア基板上への窒化ガリウム層の成長を行った。各成膜工程における成長温度及び膜厚を表７に示す。
【表７】
2010165817.tif 000009
【０１５６】
各サンプルのＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を図８ａ〜図８ｆに、各サンプルの基板の反り形状、反り量及び曲率を表８に、各段階における基板曲率の変化量を表９に示す。
【０１５７】
表９中（１）〜（４）は、図８ａで図示している通り、それぞれ（１）基板初期状態に対するサーマルクリーニング移行時、（２）基板初期状態に対するｎ−ＧａＮ層成長時、（３）ｎ−ＧａＮ成長終了時に対するＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層成長移行時、（４）基板初期状態に対するクールダウン終了後の曲率の変化量を示している。
【表８】
2010165817.tif 000010
【表９】
2010165817.tif 000011
【０１５８】
（１）基板初期状態からサーマルクリーニング移行時における基板曲率の変化量から、内部改質領域パターンを形成したサンプル１０，１２，１４，１６，１８と、パターン未形成のサンプル２０とに曲率変化量の大きな差は認められなかった。
【０１５９】
（２）基板初期状態に対するｎ−ＧａＮ層成長時における基板曲率の変化量から、サファイア基板表面から浅い位置にパターンを形成したサンプル１０,  １６, １８において、他のサンプルと比較してｎ−ＧａＮ成長時の基板曲率の変化量を抑制する効果が認められた。
【０１６０】
（３）ｎ−ＧａＮ成長終了時に対するＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層成長移行時における基板曲率の変化量から、ｎ−ＧａＮ層成長終了時点からＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層成長に移行する段階において、サファイア基板表面から浅い位置にパターンを形成したサンプル１０，１６，１８では、他のサンプルと比較して基板曲率の変化量を抑制する効果が認められた。
【０１６１】
（４）基板初期状態に対するクールダウン終了後の基板曲率の変化量から、サファイア基板表面から浅い位置にパターンを形成したサンプル１０, １６, １８では、他のサンプルと比較して基板曲率の変化量を抑制する効果が認められた。
【０１６２】
以上の工程により得られたサンプル１０，１２，１４，１６，１８，２０の窒化ガリウム層の膜厚均一性及び結晶品質について調べた。
【０１６３】
サンプル１０は、改質領域パターン未形成のサンプル２０と比較して膜厚均一性が向上することが分かった。これは、サファイア基板表面から浅い位置にパターンを形成することによって、基板形状がよりフラットな状態でｎ−ＧａＮ層成長が行われたためであると考えられる。
【０１６４】
さらに、Ｘ線回折ロッキングカーブ測定により求められた窒化ガリウム層の（００１）面、（１０２）面のＦＷＨＭ値は、サンプル１０ではそれぞれ２０３ａｒｃｓｅｃ、４１８ａｒｃｓｅｃであり、改質領域パターン未形成のサンプル２０ではそれぞれ２４２ａｒｃｓｅｃ、５７９ａｒｃｓｅｃであった。この結果から、改質領域パターンを形成したサンプル１０では、改質領域パターン未形成のサンプル２０と比較して窒化ガリウム層の結晶性が向上することが分かった。
【０１６５】
以上の結果から、本発明の内部改質サファイア基板を用いて窒化物半導体層のエピタキシャル成長を行うと、基板の反りを抑制し、基板の反り挙動を小さくすることができるため、膜の品質及び均一性が向上することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本実施形態に係る単結晶基板内部への改質領域形成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る改質領域パターンのパターン形状、ピッチ、形成位置を示す図である。
【図３】本実施形態に係る窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程を示す図である。
【図４】本実施形態に係る窒化物半導体成長工程におけるＩｎ−ｓｉｔｕ観察例を示す図である。スペクトルＡは従来のサファイア基板を用いた例、スペクトルＢ，Ｃは本発明のサファイア基板を用いた例である。
【図５】本実施形態に係る基板の反り量と曲率の関係を示す図である。
【図６】本実施形態に係る本発明のサファイア基板を用いたＩｎ−ｓｉｔｕ観察例を示す図である。
【図７】本実施例２に係る改質領域パターン形成後の基板曲率の変化量に対する形成位置とピッチ依存性を示す図である。
【図８ａ】本実施例３に係るサンプル１０のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【図８ｂ】本実施例３に係るサンプル１２のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【図８ｃ】本実施例３に係るサンプル１４のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【図８ｄ】本実施例３に係るサンプル１６のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【図８ｅ】本実施例３に係るサンプル１８のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【図８ｆ】本実施例３に係るサンプル２０のＩｎ−ｓｉｔｕ観察結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１  単結晶基板
２  パルスレーザ
３  改質領域
４  ピッチ
５  形成位置
６  改質層長さ
７  サファイア基板
８  低温バッファ層
９  ｎ−ＧａＮ層
１０  ＩｎＧａＮ系活性層
【図１】
2010165817.tif 000012
【図２】
2010165817.tif 000013
【図３】
2010165817.tif 000014
【図４】
2010165817.tif 000015
【図５】
2010165817.tif 000016
【図６】
2010165817.tif 000017
【図７】
2010165817.tif 000018
【図８ａ】
2010165817.tif 000019
【図８ｂ】
2010165817.tif 000020
【図８ｃ】
2010165817.tif 000021
【図８ｄ】
2010165817.tif 000022
【図８ｅ】
2010165817.tif 000023
【図８ｆ】
2010165817.tif 000024